火山石生態(tài)混凝土材料在生態(tài)水塘護坡中的應(yīng)用探索

劉飛鵬，謝 非，許 婧，龔愛民，陳春武

(1.國家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計院，云南 昆明 650031；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201；3.云南建投第二水利水電建設(shè)有限公司，云南 昆明 650501)

0 引 言

騰沖火山石資源豐富，前景廣闊[1]。但火山石材主要用于建材以及旅游工藝品等方面，二次加工的混凝土碎石骨料中的火山石用途僅限于初級階段。已有研究表明火山石載體生物膜能去除微囊藻毒素、硝酸態(tài)氮和磷酸鹽，對養(yǎng)殖業(yè)和生態(tài)循環(huán)水凈化方面有很大的潛力；但對水體凈化性能的系統(tǒng)研究尚處于初級階段。

隨著國家對生態(tài)環(huán)保的愈加重視[2]，日益嚴重的水污染問題提上議事日程，環(huán)境友好型的生態(tài)材料逐漸得到人們的重視，應(yīng)用生物修復(fù)的生態(tài)環(huán)保技術(shù)將是未來的一大趨勢；普通混凝土應(yīng)用范圍廣，使用壽命長，但是在新時期生態(tài)工程中，不利于生物與周邊環(huán)境之間的交流[3]；生態(tài)混凝土的孔狀結(jié)構(gòu)有利于生物成長，豐富了河道等生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。

國內(nèi)外對生態(tài)混凝土的研究雖然取得一些進展，但在原材料選擇、配合比設(shè)計、成型工藝、耐久度等諸多方面尚存在許多問題，因此無法得到大規(guī)模的工程應(yīng)用，生態(tài)混凝土在河流堤岸護坡、公路護坡和停車坪等應(yīng)用中發(fā)揮著出色的作用，鮮見于水庫護坡中，其抗沖刷[4]等性能尚不明確。本文探索火山石生態(tài)混凝土在水庫護岸中的應(yīng)用，逐步解決抗沖刷和糙率等水力學(xué)問題。將火山石和生態(tài)混凝土凈化水體的功效疊加，以期能更好地處理水體污染，美化生態(tài)環(huán)境；促進當(dāng)?shù)鼗鹕绞a(chǎn)業(yè)的新型開發(fā)途徑；為生態(tài)環(huán)境治理中的水體循環(huán)和火山石開發(fā)等提供水力學(xué)理論基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)澆及預(yù)制生態(tài)混凝土

傳統(tǒng)護坡加固混凝土易老化、鋼筋腐蝕等問題突出[5]，而生態(tài)混凝土護坡由于植物根系的加筋和錨固作用，其隨著時間增長，會增強護坡的穩(wěn)定性，由此可見，生態(tài)混凝土材料用于護坡工程[6]，不但具有綠色生態(tài)作用，而且能夠保證岸坡的穩(wěn)定雙重意義。

生態(tài)混凝土護坡有現(xiàn)澆式和預(yù)制構(gòu)件式兩種形式[7]。現(xiàn)澆式對河流岸坡平整度和穩(wěn)定性要求高，養(yǎng)護方法與實時天氣相關(guān)；最大孔徑為毫米級，采用液力噴播或鋪草皮等方式，其抵抗水流的沖刷比預(yù)制構(gòu)件強。預(yù)制構(gòu)件式可以根據(jù)需要設(shè)計不同尺寸和型號的預(yù)制構(gòu)件，自動化程度高，施工方便[8]。本課題采用兩種形式，探索其在水庫生態(tài)護岸中的應(yīng)用。

1.1 現(xiàn)澆生態(tài)混凝土制備及特性

生態(tài)混凝土是在普通混凝土基礎(chǔ)上經(jīng)過改良而成，具有俗稱的蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。滿足力學(xué)性質(zhì)的同時，透氣和透水結(jié)構(gòu)為生物的成長提供了良好的環(huán)境。生態(tài)混凝土的水灰比大致范圍為0.2～0.3；碎石粒徑為16～50 mm；摻合劑常用粉煤灰以及硅灰等工業(yè)廢渣[5，9-10]，摻合料的添加使得內(nèi)部的PH值到控制在10以下[11-12]，有利于植物的生長；一般選用具有高效減水性能的化學(xué)添加劑。生態(tài)混凝土連通空氣、水、土壤，讓生物具有平衡的生長環(huán)境，具有良好的生態(tài)景觀效益，特點如下：

(1)具有一定的強度[7]。以火山石為原料的生態(tài)混凝土基本可以滿足5～10 MPa的強度要求。

(2)構(gòu)造獨特。生態(tài)混凝土具有普通混凝土不具有的連續(xù)多孔性構(gòu)造，類似“薩琪瑪”，其多孔結(jié)構(gòu)可以為水生生物，植物等留有生存空間，有利于生物的多樣性。

(3)低堿環(huán)境[13]。一般來說，生態(tài)混凝土的堿度較低，可以使植物等擁有更好的生長環(huán)境，利于動植物的生長發(fā)育。

1.1.1試驗材料

(1)水泥。華潤水泥P.0 42.5級普通硅酸鹽水泥。

(2)粗骨料。3種不同粒徑級配火山石粗骨料如表1。

表1 火山石的物理性能參數(shù)

(3)摻合料。粉煤灰性能參數(shù)見表2。

表2 Ⅱ級粉煤灰物理性能性能參數(shù) %

(4)外加劑。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，液體狀。

1.1.2試驗制備

(1)混凝土的制備。試驗分別采用3種不同粒徑的粗骨料和普通硅酸鹽水泥制備火山石生態(tài)混凝土。控制參數(shù)為：水灰比0.28，設(shè)計孔隙率介于25%～30%，粉煤灰按水泥摻量的5%加入。混凝土制備過程中，先加入粗骨料，用水將其濕潤，隨后加入水泥和外加劑等攪拌均勻后，加入剩余的水量，用搗棒逐層插搗并壓實成型。

(2)抗壓強度測定及結(jié)果分析。在試驗室制作標準尺寸的生態(tài)混凝土試塊并標準養(yǎng)護至28 d，執(zhí)行GB/T 50081—2019規(guī)范，對混凝土進行抗壓強度試驗，加載裝置為液壓式數(shù)顯壓力試驗機，并依照上述方法測定各體系生態(tài)混凝土物理力學(xué)性能試驗結(jié)果見表3。

將粒徑為16～50 mm的骨料分成3種不同粒徑的組分，和硅酸鹽水泥制備的生態(tài)混凝土，經(jīng)過標準養(yǎng)護后，生態(tài)混凝土28 d抗壓強度>5.20 MPa，與普通硅酸鹽水泥制備的混凝土有相當(dāng)?shù)目箟盒Ч．?dāng)火山石作為骨料加入普通硅酸鹽為膠凝材料的混凝土體系中，混凝土28 d抗壓強度比普通生態(tài)混凝土材料強度略低。由于火山石骨料具有比一般骨料更大的吸水性，在水泥拌制過程中吸收水分，水泥水化不均勻，粗骨料表明的水泥漿成型不均勻，混凝土中的骨料成型后黏結(jié)力不足，導(dǎo)致抗壓強度下降明顯。目標孔隙率的生態(tài)混凝土，生態(tài)混凝土的強度與骨料粒徑呈反向相關(guān)。

表3 硅酸鹽水泥生態(tài)混凝土的物理力學(xué)性能

1.2 預(yù)制生態(tài)混凝土構(gòu)件特性

生態(tài)混凝土預(yù)制構(gòu)件不但流出孔隙給植物生長，同時其自身的重力能夠維持穩(wěn)定，其根系穿過坡體表層，固定到較穩(wěn)定的巖土層上，起到預(yù)應(yīng)力錨固的作用；根系在土中與土形成復(fù)合體，錯綜復(fù)雜的結(jié)果相當(dāng)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，草根作為三維加筋材料加強土體強度；植物作為生物，生長過程中需要蒸發(fā)和吸收的水分降低了孔隙水壓力，對邊坡的穩(wěn)定和土體的抗剪起到有利作用。

生態(tài)混凝土預(yù)制構(gòu)件采用方孔形砌塊。板狀砌塊尺寸為0.4 m×0.4 m×0.5m，砌塊中間的孔洞尺寸為邊長50 mm的正方形。在砌塊鋪砌過程中，使砌塊之間形成約50 mm的孔洞，孔洞的中間為植物等微生物的生長提供空間。

2 生態(tài)混凝土在生態(tài)水塘工程中的應(yīng)用

生態(tài)水塘原為土質(zhì)岸坡，現(xiàn)結(jié)合生態(tài)水塘工程現(xiàn)有的構(gòu)造和建設(shè)情況，采用生態(tài)混凝土沿水塘庫岸建設(shè)生態(tài)護坡[14]。生態(tài)護坡工程不但有利于庫岸岸坡穩(wěn)定而且能夠重建庫岸原有的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)SL 744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》及水塘的水力條件，岸坡設(shè)計高水位2 009.9 m，設(shè)計低水位2 007.80 m，坡頂高程設(shè)計為2 010.50 m，坡底高程設(shè)計為2007.30 m。為比較現(xiàn)澆和預(yù)制生態(tài)混凝土的護坡生態(tài)效應(yīng)，對壩塘護坡采用現(xiàn)澆生態(tài)混凝土和預(yù)制方孔形砌塊的組合方式。

2.1 生態(tài)植物選擇

在生態(tài)壩塘的壩坡進行試驗，現(xiàn)澆構(gòu)件位于水位變動區(qū)域以上，預(yù)制構(gòu)件位于水位以下；在生態(tài)混凝土坡面的上進行覆土處理(表層10 mm厚的土壤)，紅土土壤來源于塘底，并澆水養(yǎng)護，誘導(dǎo)植物生根發(fā)芽。為促進生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，選擇多樣化的物種將增加網(wǎng)狀食物鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、使得生態(tài)系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。考慮到當(dāng)?shù)匚锓N的種類，特選擇鴨絨、黑麥草、白三葉、白羊草、披堿草、高羊茅等6種生物，對其進行生態(tài)型搭配和混種，促使生物群落容量的平衡增加。

2.2 坡面的植生試驗

水庫水位變動區(qū)是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，由水、水生生物、空氣組成，是水質(zhì)改善的核心組成部分，可有效促進退化生態(tài)系統(tǒng)的重建。復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的生物能有效吸收水中各種氮元素等污染物，改善水質(zhì)。根據(jù)水塘岸坡需要削減波浪和抗水力沖刷以及植物的綜合生長特性，水位變動區(qū)選擇預(yù)制塊生態(tài)混凝土，以種植挺水植物為主，挺水植物采用植苗、插條、埋植等方式建置。

水位變動區(qū)以上澆筑現(xiàn)澆生態(tài)混凝土材料，為草皮護坡，人工植草的選擇具有水土保持和攔截污染的作用；根據(jù)以往的經(jīng)驗，本次的人工種植挺水植物和草本植物，將種子與土壤混合，均勻的散播在水塘的岸坡坡面上。

2.3 坡面植生效果分析

昆明市盤龍區(qū)水塘工程根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⑺|(zhì)、土壤等條件，水位變動區(qū)上下均勻噴灑了蘆葦和鴨絨、黑麥草等植物。除了前期的栽苗和澆水覆土等工作外，對岸坡采用粗放式管理，監(jiān)測草種的生長狀況如圖1所示。從圖1可以看出，草種等綠綠蔥蔥的植物凸顯了岸坡固水保土效果的生態(tài)效益，保證岸坡安全穩(wěn)定的同時形成了優(yōu)美的生態(tài)景觀。混凝土間隙中經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)各種微小的生物，重現(xiàn)了天然庫岸的生物多樣性局面。水塘生態(tài)護坡示范工程成功構(gòu)建了動植物等生物的生存家園，形成了多樣的生態(tài)環(huán)境，成為休閑娛樂的好場所。

3 結(jié) 語

火山石生態(tài)混凝土綠色岸坡，作為傳統(tǒng)護坡材料的創(chuàng)新，其火山石載體生物膜能去除微囊藻毒素、含N和P的鹽，吸附的N和P元素能夠成為微生物和植物的營養(yǎng)元素，將火山石骨料制備生態(tài)混凝土，在生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及水質(zhì)凈化方面有很大的前景。上述試驗和探索中可得到如下結(jié)論：

圖1 現(xiàn)澆火山石生態(tài)混凝土種草生長狀況

(1)將粒徑為16～50 mm的粗骨料按粒徑分成3組，分別制備的生態(tài)混凝土，其28 d抗壓強度最低可達5.20 MPa，孔隙率>24.2%，滿足生態(tài)混凝土力學(xué)性能相近。由于火山石的吸水性，火山石生態(tài)混凝土的28 d抗壓強度比普通混凝土略低。

(2)從室內(nèi)試驗可以看出，生態(tài)混凝土的抗壓強度與骨料粒徑的增大方向相反，透水系數(shù)與孔隙率的增大相同。當(dāng)混凝土孔隙率一定時，透水系數(shù)則隨粗骨料粒徑的增大而提高。

火山石生態(tài)混凝土材料融合了材料學(xué)、微生物學(xué)、林草科學(xué)、水力學(xué)等多學(xué)科知識，集合了水土保持、植物栽培、生態(tài)修復(fù)、水質(zhì)凈化于一體，既改善了水庫的生態(tài)環(huán)境和水力沖刷條件，又滿足了生態(tài)景觀等人類休閑娛樂的需求，具有良好的生態(tài)效益，值得推廣應(yīng)用。